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1 Enzimas y catálisis Patricio Muñoz Torres [email protected] Energía y enzimas: bioenergética n Los organismos obtienen su energía de la luz o de compuestos químicos y la conservan en forma de ATP. n Energía: capacidad de realizar trabajo. n Las reacciones químicas van acompañados de cambios energéticos, donde se libera parte de la energía como calor. n Energía libre: energía liberada que es utilizable para realizar un trabajo. Se abrevia como G y un cambio de energía como ΔG° (el superíndice ° indica que la reacción ocurre a 25 °C, pH 7 y la concentración de reactantes y productos es 1 M. Unidades: kcal/mol o J/mol. n Para la reacción: A + B C + D Si ΔG° es negativo, la reacción ocurre espontáneamente, liberándose energía y se denomina exergónica. La célula la almacena en forma de ATP. Si ΔG° es positivo, la reacción requiere energía y se denomina endergónica. La célula la utiliza ATP. Si ΔG° es cero, la reacción está en equilibrio.
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Enzimas y catálisis
Patricio Muñoz Torres [email protected]
Energía y enzimas: bioenergética n Los organismos obtienen su energía de la luz o de
compuestos químicos y la conservan en forma de ATP. n Energía: capacidad de realizar trabajo. n Las reacciones químicas van acompañados de cambios
energéticos, donde se libera parte de la energía como calor. n Energía libre: energía liberada que es utilizable para realizar
un trabajo. Se abrevia como G y un cambio de energía como ΔG° (el superíndice ° indica que la reacción ocurre a 25 °C, pH 7 y la concentración de reactantes y productos es 1 M. Unidades: kcal/mol o J/mol.
n Para la reacción: A + B C + D Si ΔG° es negativo, la reacción ocurre espontáneamente,
liberándose energía y se denomina exergónica. La célula la almacena en forma de ATP.
Si ΔG° es positivo, la reacción requiere energía y se denomina endergónica. La célula la utiliza ATP.
Si ΔG° es cero, la reacción está en equilibrio.
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Energía y enzimas: biocatálisis n El término ΔG° nos indica si una reacción ocurre o no, pero
no nos da información de la velocidad de la reacción. n Para que una reacción ocurra los reactantes deben
ordenarse para formar y romper enlaces. La energía para que ocurra este proceso se denomina energía de activación (energía necesaria para llevar a cabo una reacción).
Energía y enzimas: biocatálisis n En sistemas biológicos la catálisis es llevada a cabo por las
enzimas. n Las enzimas disminuyen la energía de activación de una
reacción, aumentando la velocidad de la reacción. Facilitan la catálisis sin consumirse ni modificarse.
n Las enzimas son altamente específicas y por lo general, llevan a cabo una reacción.
n La porción de la enzima que lleva a cabo la catálisis se llama sitio activo.
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Catalizadores Biológicos: Enzimas
• Biomoléculas.
• Principalmenteproteínas.
• Suac5vidaddependedesuintegridadestructural.
Lasenzimaspuedenacelerarlasreaccionesavelocidadesde1016
sobrereaccionesnocatalizadas.
Enzimas • Las enzimas aumentan la velocidad de la reacción • NO AFECTAN EL EQUILIBRIO DE LA REACCIÓN • Las enzimas son muy específicas
S P
E + S ES E + P
Ventajas • Aceleran las reacciones más que los catalizadores químicos • Son específicas • Se reutilizan • Se pueden regular
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Enzimas
Clasificación de las Enzimas
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Enzimas
SITIO ACTIVO
SITIO CATALÍTICO SITIO DE UNIÓN
• Área que mantiene al sustrato unido. • Interacciones débiles no covalentes • En las interacciones participan los grupos R de los aa. • Es específico para el sustrato
• Lugar donde ocurre la reacción
Grupos prostéticos y enzimas conjugadas
Un cofactor o coenzima puede ser
una molécula orgánica u organometálica, o un
metal iónico.
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Modelos de Especificidad Enzimática
Modelo de Fischer Llave y Cerradura
Modelo de Koshland Ajuste Inducido
Acción de la Enzima
ENZIMAS
AUMENTANLAVELOCIDADDEUNAREACCIÓN
DISMINUYENDOLAENERGIADEACTIVACIÓN
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Gráfico de Coordenadas de Reacción
Acción de la Enzima
Energía de activación
Nivel de energía Libre inicial
Nivel de energía libre final
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Efecto del pH sobre la Actividad
Efecto de la Temperatura sobre la Actividad
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Cinética Enzimática Estudio del mecanismo de acción de una enzima.
• Involucra la reacción de un sustrato (S) con una enzima (E) para formar inicialmente el complejo ES.
• Este complejo puede descomponerse para formar producto (P) más enzima (E) o volver a recuperar los sustratos.
-ΔG
Energía de activación
(estado de transición)
Tipos de Cinética Las reacciones enzimáticas se ajustan a dos tipos de cinéticas, que son:
Hipérbolas rectangulares: Enzimas que siguen la cinética de Michaelis-Menten
Sigmoidales: Enzimas alostéricas (cambio conformacion) que muestran fenómenos de cooperatividad.
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Tipos de Cinética
Hipérbolas rectangulares: Enzimas que siguen la cinética de Michaelis-Menten
Teoría de Leonor Michaelis y Maud L. Menten 1913 (ecuación de
Michaelis-Menten).
Proponen una ecuación que explica el comportamiento cinético de las
enzimas.
Cinética “Michaeliana” Factor clave que afecta la tasa de reacción catalizada por E es la concentración de sustrato [S]. Como [S] varía en el tiempo, la aproximación mas simple es medir la velocidad inicial de la reacción (V0), donde la [S] es mucho mayor que la concentración de enzima [E], [S]= constante.
• Proceso cíclico (se recupera la enzima) • a baja [S] V0 aumenta casi linealmente al aumentar [S]. • Proceso saturante (alta [S]), número limitado de sitios en la enzima para fijar sustrato. Cuando todos los sitios están o c u p a d o s , l a v e l o c i d a d permanece constante.
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En estado estacionario, la formación de ES es igual a su desaparición Y además, Reemplazando y reordenando, tenemos que
Se asume que:
K1 [E] [S] = (k-1 + k2) [ES]
[E] = [E]T -[ES]
Ecuación de Michaelis-Menten
En condiciones Michaelianas, la velocidad de la reacción está dada por: Y acabamos que deducir que: Entonces, reemplazando [ES] tenemos que:
V0 = k2[ES]
V0 = k2
Ecuación de Michaelis-Menten
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La velocidad máxima de la reacción se dará cuando [E]T = [ES], entonces: Entonces, reemplazando tenemos que:
V0 = k2
V0 = k2[ES] Vmáx = k2[E]T
Ecuación de Michaelis-Menten
Ecuación de Michaelis-Menten
Gráfica de Michaelis-Menten
Gráfica de Velocidad Inicial (V0) versus Concentración de Sustrato [S] A bajas [S], V0 aumenta casi linealmente a medida que aumenta la [S] A altas [S], V0 aumenta en pequeñas cantidades cada vez, hasta
alcanzar una región tipo plateau, conocida como velocidad máxima (Vmáx)
Km (constante de Michaelis): [S] correspondiente a la mitad de la Vmáx
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Significado de Km: • Concentración de S a la cual se alcanza la mitad de Vmax. • Constante de equilibrio (disociación del complejo ES) • Medida inversa de la afinidad de la enzima por el sustrato • Se mide en unidades de concentración.
Sustrato menos afín a la enzima
Sustrato mas afín a la enzima
Gráfica de Michaelis-Menten
Número de Recambio
Número de moléculas de sustrato convertidas en producto en una unidad de tiempo, por una molécula de enzima cuando la enzima está saturada de sustrato.
K cat = Vmax / [ET]
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Parámetros Enzimáticos • Km (constante para cada enzima) : [S] en la que Vo = Vmax/2. Medida de la afinidad de la Enzima por el Sustrato. Cuando menor es Km, mayor es la afinidad de E por S. • Kcat (constante para cada enzima):
Número de recambio Número de moléculas de S convertidas en P por molécula de E y
unidad de tiempo, en condiciones saturantes. • Vmax :
Velocidad máxima teórica Velocidad cuando todos los sitios activos están ocupados con sustrato.
• Eficiencia catalítica: Eficiencia con la que una enzima convierte un sustrato en producto.
Se calcula Kcat/Km
Inhibidores
• Agentes moleculares que interfieren con la catálisis enzimática, disminuyendo o deteniendo la reacción.
• Pueden ser:
- Reversibles: Forman enlaces débiles y se disocian fácilmente de la enzima. Ésta es inactiva sólo cuando el inhibidor está presente.
- Irreversibles: Modifican permanentemente a la enzima al unirse covalentemente.
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Inhibidor Competitivo • Similar al sustrato, por lo tanto compite por el sitio de unión en la enzima.
• Se une al sitio activo de la enzima libre.
El inhibidor aumenta la Km, pero la Vmax sigue siendo la misma. La inhibición se puede superar aumentando la [S]
Inhibidor No-Competitivo • Interactúa con una parte que es importante para la función de la enzima, pero no impide la unión del sustrato al sitio activo.
• Se une a la enzima o al complejo ES
El inhibidor reduce la Vmax, pero la Km sigue siendo la misma.
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Inhibidor Acompetitivo • Solo se une al complejo ES
El inhibidor reduce la Vmax y la Km.
Con I
Mecanismos de Regulación Enzimática
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Regulación por Modificación Covalente
P + ADP + ATP Quinasa
Fosfatasa
Inactiva Activa
La modificación covalente puede inhibir o activar a una enzima.
Regulación por Retroalimentación
La retroalimentación o feedback puede ser positiva (activa una ruta metabólica) o negativa (inhibe la ruta).
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Regulación por Retroalimentación
Zimógeno Un zimógeno o proenzima es un precursor enzimático inactivo, es decir, no cataliza ninguna reacción como hacen las enzimas. Para activarse, necesita de un cambio bioquímico en su estructura.
cataliza la ruptura h i d r o l í t i c a d e enlaces peptídicos a d y a c e n t e s a r e s i d u o s a m i n o a c í d i c o s aromáticos.
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Zimógeno
Regulación Alostérica
• Unión reversible y no c o v a l e n t e d e u n modulador alostérico.
• Puede ser un metabolito o un cofactor.
La alostería es un modo de regulación de las enzimas por el cual la fijación de una molécula en una ubicación (sitio alostérico) modifica las condiciones de fijación de otra molécula, en otra ubicación distante (sitio catalítico) de la enzima.
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• Un modulador alostérico puede ser un inhibidor o un estimulador.
• En las mayoría de las enzimas alostéricas, el sitio de unión del modulador es distinto al sitio de unión del sustrato.
Regulación Alostérica
Regulación Alostérica
